一種微波介質陶瓷及制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有近零諧振頻率溫度系數和較高品質因子的NiAl2O4基微波介質陶瓷材料及其制備方法，所述NiAl2O4基微波介質陶瓷材料含有Ni、Al、Ca、Ti和Mn的氧化物，其化學式為：(1-x-y)NiAl2O4-xCaTiO3-yMnO2，式中x=0.05～0.1,y=0.01～0.05，x、y為摩爾數，其具有相對低的燒結溫度（1400℃-1550℃），相對低的介電常數（εr=8-9.5），較高的Qf值（Qf=84000-98000GHz）,近零的諧振頻率溫度系數（τf=-548ppm/℃-548ppm/℃），可用于制作微波介質基板、濾波器、諧振器等微波器件。本發明方法解決了NiAl2O4微波介質陶瓷難于燒結和頻率溫度系數偏大的問題。
【專利說明】一種微波介質陶瓷及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子陶瓷及其制備領域，具體涉及一種具有近零諧振頻率溫度系數和較高品質因子的NiAl2O4基微波介質陶瓷材料及其制備方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]微波介質陶瓷是指應用于微波頻段電路中作為介質材料并完成一定功能的陶瓷，是制作諧振器、濾波器、介質基片、介質天線、介質波導回路等各種微波器件的關鍵材料。隨著通信設備的工作頻率進一步向高頻范圍拓展，特別是進入毫米波段后，通訊器件尺寸大小約為毫米量級，因而器件的小型化已變得不重要。而隨著頻率的升高，材料極化損耗明顯增大，信號傳輸時間延長，當材料介電常數減小時，特別當ε/15時，材料品質因數和信號傳輸速率均得到顯著提高，所以尋求新的低介電常數(L〈15)微波介質陶瓷材料是當前和未來不斷追求的目標，這有利于增加實際應用中材料的選擇性。對于此類微波介質陶瓷，應滿足如下介電特性的要求:(1)相對低的介電常數，一般要求ε/15; (2)高的品質因子Q以降低噪音，一般要求Qf大于70000 (f為諧振頻率)；(3)接近零的諧振頻率溫度系數Tf以保證器件的溫度穩定性，一般要求-5ppm/°C大于Tf<5ppm/°C。低介電常數(ε r<15)和超高品質因數材料的典型的材料體系包括=M2SiO4 (M=Mg，Zn)基、CaWO4基、Al2O3基、A4M2O9 (A=Co，Mg;B=Nb, Ta)、R2BaMO5 (R 為稀土元素；M=Cu，Zn, Ni 等)基和尖晶石基微波介質陶瓷材料。
[0004]尖晶石基微波介質陶瓷材料逐漸受到人們的重視，因其與Al2O3等材料相比具有更高的熱導率和較小的熱膨脹系數，且成本較低，是一種具有廣闊應用前景的微波基板、濾波器和諧振器材料。NiAl2O4尖晶石材料具有良好的微波介電性能:、=8，Qf=60000GHz,Tf=-48ppm/°C。但是NiAl2O4存在兩個缺點:一個是難于燒結致密，即使燒結溫度高達1600°C，其相對密度仍然 只有90.5%，這導致其Qf值不高；另外一個缺點就是諧振頻率溫度系數^值較高。上述兩個缺點限制了它的實際應用。
[0005]

【發明內容】

[0006]
針對NiAl2O4微波介質陶瓷難于燒結和頻率溫度系數偏大的問題，本發明要解決的技術問題是:如何提供一種具有近零諧振頻率溫度系數和較高品質因子的NiAl2O4基微波介質陶瓷材料；
本發明還提供制備所述具有近零諧振頻率溫度系數和較高品質因子的NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的方法。
[0007]為了解決上述的技術問題，本發明采用如下技術方案:
一種NiAl2O4基微波介質陶瓷材料，其特征在于，含有N1、Al、Ca、Ti和Mn的氧化物，其化學式為:(1-x-y)NiAl204-xCaTi03_yMn02，式中 x=0.05 ~0.1, y=0.01 ~0.05，x、y 為
摩爾數。
[0008]本發明以純度99.9% NiO,99.9% Al2O3>99% CaCO3>99.9% TiO2 和 99% MnO2 為起始原料，以NiO和Al2O3為原料制備NiAl2O4粉體，二者以摩爾比為1:1的比例進行投料，在無水乙醇中研磨12~36小時，使二者充分混合均勻，再在1250~1300°C下保溫2~6小時合成NiAl2O4粉體；以CaCO3和TiO2為原料制備CaTiO3粉體，二者以摩爾比為1:1的比例進行投料，在無水乙醇中研磨12~36小時，使二者充分混合均勻，再在1200°C~1300°C下保溫2~6小時合成CaTiO3粉體。
[0009]最后，以(1-x-y)NiAl204-xCaTi03-yMn02,x=0.05-0.1, y=0.01-0.05 的配比，將NiAl2O4和CaTiO3粉體，以及MnO2粉體在無水乙醇中研磨12~36小時后烘干，再將烘干后的物料加入聚乙烯醇水溶液進行造粒，再在150~250Mpa的壓力下壓制成型，再在溫度為1400~1550°C高溫爐中燒制2~6小時，即可制成具有近零諧振頻率溫度系數和較高品質因子的微波介質陶瓷。
[0010]相比現有技術，本發明具有如下有益效果:
1.本發明通過在NiAl2O4中摻入CaTiO3使得本發明的微波價值陶瓷包含了具有正諧振頻率溫度系數的CaTiO3和具有負諧振頻率溫度系數的NiAl2O4兩種物相，兩種物相的諧振頻率溫度系數相互抵消，使其具有近零諧振頻率溫度系數τ f=-5ppm/°C~5ppm/°C，采用本發明的微波介質陶瓷制備的介質諧振器、濾波器、微波基板可以滿足移動通信、衛星通信等系統在不同溫度環境下的使用要求。
[0011]2.本發明通過摻入MnO2使得本發明的微波價值陶瓷在燒結過程中可以產生適量的缺陷，陶瓷以缺陷活化燒結的機制燒結，改善了 NiAl2O4微波介質陶瓷的燒結性能，使得燒結溫度降低到1400°C~1550°C，促進了陶瓷的致密化，從而可以獲得較高的品質因子Qf=84000~98000GHz，保證采用本發明的微波介質陶瓷制備的介質諧振器、濾波器、微波基板可以滿足移動通信、衛星通信等系統的技術需要。
[0012]3.本發明的微波介質陶瓷具有以下特點:該陶瓷材料的化學式為:(l-x-y)NiA1204-xCaTi03-yMn02,式中 x=0.05 ~0.1, y=0.01 ~0.05，x、y 為摩爾數，其具有燒結溫度比較低(1400°C~1550°C)，較高品質因子Qf=84000~98000GHz，相對低的介電常數ε r=8~9.5,諧振頻率溫度系數非常穩定(_5ppm/°C~5ppm/°C ),化學成分及制備工藝簡單，具有較好的性能穩定性和重復性，其生產成本也較低；并且具有近零的諧振頻率溫度系數(τ f=-548ppm/°C _548ppm/°C ),可用于制作微波介質基板、濾波器、諧振器等微波器件。
[0013]
【具體實施方式】
[0014]一種制備具有近零諧振頻率溫度系數和較高品質因子的NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的方法，包括如下步驟:
(I) NiAl2O4和CaTiO3粉體的制備:
在球磨罐中加入74.693g的NiO和101.961g Al2O3,再加入無水乙醇250ml在輕型球磨機上研磨24小時，在真空干燥箱中以105°C烘干24小時，將烘干后的物料在1300°C下保溫4小時，即得NiAl2O4粉體；在球磨罐中加入79.866g的1102和100.087g的C aC03，再加入無水乙醇250ml在輕型球磨機上研磨24小時后，在真空干燥箱中以105°C烘干24小時，將烘干后的物料在1250°C下保溫2小時，即得CaTiO3粉體；
(2)NiAl2O4基微波介質陶瓷素坯的制備:
在球磨罐中加入步驟(1)制備的NiAl2O4和CaTiO3粉體，以及MnO2粉體，按照表1中的比例進行投料，再加入無水乙醇215ml在輕型球磨機上研磨24小時后，在真空干燥箱中以105°C烘干24小時，再將烘干后的物料加入質量濃度為2%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，其加入量為烘干后物料質量的5%，再在200Mpa的壓力下壓制成型，即得NiAl2O4基微波介質陶瓷素還1#~6#樣品；
(3)NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的制備:
將步驟(2)制備的NiAl2O4基微波介質陶瓷素坯在1400~1550°C的溫度下燒制4小時，制得NiAl2O4基微波介質陶瓷材料。
[0015]表 I
【權利要求】
1.一種NiAl2O4基微波介質陶瓷材料，其特征在于，含有N1、Al、Ca、Ti和Mn的氧化物，其化學式為:(l-x-y)NiAl204_xCaTi03-yMn02，式中 χ=0.05 ~0.1, y=0.01 ~0.05，x、y為摩爾數。
2.—種NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)NiAl2O4和CaTiO3粉體的制備: 在球磨罐中加入NiO和Al2O3，二者以摩爾比為1:1的比例進行投料，在無水乙醇中研磨12~36小時，使二者充分混合均勻；再將烘干后的物料在1250~1300°C下保溫2~6小時，即得NiAl2O4粉體； 在球磨罐中加入CaCO3和TiO2，二者以摩爾比為1:1的比例進行投料，在無水乙醇中研磨12~36小時，使二者充分混合均勻；再在1200°C~1300°C下保溫2~6小時合成CaTiO3粉體； (2)NiAl2O4基微波介質陶瓷素坯的制備: 在球磨罐中加入步驟(1)制備的NiAl204、CaTiO3粉體以及MnO2粉體，三者的摩爾比為(1-x-y):x:y,其中χ=0.05~0.1, y=0.01~0.05,再加入與三者之和等質量的無水乙醇在輕型球磨機上研磨12~36小時；然后在真空干燥箱中以105°C烘干24小時，再將烘干后的物料加入質量濃度為2~5%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，其加入量為烘干后物料質量的I~6%,再在150~250Mpa的壓力下壓制成型，即得NiAl2O4基微波介質陶瓷素還； (3)NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的制備: 將步驟(2)制備的NiAl2O 4基微波介質陶瓷素坯在1400~1550°C的溫度下燒制2~6小時，制得NiAl2O4基微波介質陶瓷材料。
3.根據權利要求2所述NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，具體包括如下步驟: (1)NiAl2O4和CaTiO3粉體的制備: 在球磨罐中加入74.693g的NiO和101.961g Al2O3,再加入250ml無水乙醇在輕型球磨機上研磨12~36小時；在真空干燥箱中以105°C烘干24小時，再將烘干后的物料在1250~1300°C下保溫2~6小時，即得NiAl2O4粉體； 在球磨罐中加入79.866g的TiO2和100.087g的C aC03,再加入250ml無水乙醇在輕型球磨機上研磨12~36小時，在真空干燥箱中以105°C烘干24小時，再將烘干后的物料在1200。。~1300°C下保溫2~6小時，即得CaTiO3粉體； (2)NiAl2O4基微波介質陶瓷素坯的制備: 在球磨罐中加入步驟(1)制備的NiAl204、CaTiO3粉體以及MnO2粉體，三者的摩爾比為(1-x-y):x:y,其中χ=0.05~0.1, y=0.01~0.05,再加入與三者之和等質量的無水乙醇在輕型球磨機上研磨12~36小時，在真空干燥箱中以105°C烘干24小時，再將烘干后的物料加入質量濃度為2~5%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，其加入量為烘干后物料質量的I~6%，再在150~250Mpa的壓力下壓制成型，即得NiAl2O4基微波介質陶瓷素坯； (3)NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的制備: 將步驟(2)制備的NiAl2O4基微波介質陶瓷素坯在1400~1550°C的溫度下燒制2~6小時，制得NiAl2O4基微波介質陶瓷材料。
4.根據權利要求2或3所述NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中的NiO的純度為99.9%, Al2O3的純度為99.9%, TiO2的純度為99.9%；CaC03的純度為99%，四者均為工業級化工原料。
5.根據權利要求2或3所述NiAl2O4基微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中MnO2的純度為99%，為工業級化工原料。
【文檔編號】C04B35/622GK103482971SQ201310428469
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】田中青, 孟范成, 黃偉九 申請人:重慶理工大學